氧艙壓力調節系統壓力質量檢測研究

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摘要：氧艙壓力調節系統為艙內加壓及艙內人員呼吸提供工作介質，該壓力介質的品質質量即關系氧艙設備安全，又影響艙內呼吸氣體環境。本文研究探討了一種對氧艙壓力介質質量的檢測理論及方法，可供相關人員參考。

關鍵詞：氧艙；壓力介質；研究

1概述

氧艙是進行高壓氧治療的物質基礎，氧艙的發展與高壓氧醫學的發展密切相關。高壓氧醫學是從潛水醫學發展而來的，在我國的發展十分迅速。經過50余年的實踐，業已成為現代醫學中一門重要的學科，其應用范圍涉及臨床各科缺血、缺氧性疾病的搶救和治療，尤其是在治療減壓病、肺氣壓傷、氣栓癥、一氧化碳中毒、厭氧菌感染等疾病中具有獨特療效。目前，我國大多數醫療機構均設有高壓氧相關科室，我國的氧艙設備也已遍及全國各省（區市）縣級以上醫院，全國氧艙數量也已超過世界各國氧艙數量之總和。從“十一五”以來，國家對醫療器械的發展作出規劃，“十二五”國家將把醫療器械納入戰略發展內，在“十三五”開始之初，國家就先后制定了《國家創新驅動發展戰略綱要》、《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》、《“十三五”國家科技創新規劃》、《“健康中國2030”規劃綱要》、《中國制造2025》以及《關于促進醫藥產業健康發展的指導意見》等綱領性文件，極大地促進與推動了氧艙的應用。氧艙作為一種專門用于人員在其內部高氣壓環境中開展相關作業、科研或進行疾病治療的載人壓力容器，人員進入封閉艙內并呼吸艙內空間氣體，氧艙壓力介質質量就應符合生命保障系統所需具備的要求。氧艙壓力介質來源于壓力調節系統，而該系統空壓機吸入氣體質量不佳、供氣管路及其附件不潔凈等都會污染壓力介質，污染物程度超過一定范圍，就可能會對人體產生不良影響。因此在2016年實施的TSG24-2015《氧艙安全技術監察規程》中對氧艙壓力調節系統壓力介質的碳氫化合物、水、顆粒物和氣味的質量要求做出了明確規定，且規定了壓力介質質量由使用單位對其開展日常檢查，由檢驗機構在定期檢驗時對其進行查驗。目前對壓力介質質量的檢測是分別檢測單一指標參數值，然后進行分析判斷，特別是對碳氫化合物的檢測，基本上是通過對氣體采樣后，進行實驗室檢測，流程較為復雜，不便于在現場操作，而且不同品種的氣體質量檢測設備使用方法各不相同，設備接口也不具備通用性。目前國內氧艙近7000余臺，全國各地用戶及檢驗機構對壓力介質質量檢測需求極大。本文結合《氧艙規程》及相關壓縮空氣成分檢測標準中的相關要求探討氧艙壓力調節系統壓力介質質量檢測所需要研究的要點。

2研究重點

2.1檢測方法的研究

氧艙壓力調節系統壓力介質質量檢測的一項研究重點是設計出能測定氧艙壓力調節系統壓力介質所含碳氫化合物、水及顆粒物含量的檢測方法。針對該項研究重點，其主要研究內容主要包括檢測元件的設計、電控部分的設計、軟件設計三個方面：（1）檢測元件的設計根據研制目標，檢測元件需按照相關國標中的要求，選擇采用光離子傳感器加檢油盒聯合檢測碳氫化合物含量、顆粒物激光分選測試法檢測顆粒物含量及露點傳感器檢測含水量并將其集成。通過對采樣氣進行壓力、流量及采樣時間的調節滿足所采用的監測傳感元器件的需求，保障測量的準確性及精確度。（2）電控部分的設計整體電控設計包括露點采集處理模塊，碳氫化合物采集處理模塊，粒子計數器采集處理模塊。主控芯片完成對各模塊的整體控制。各個模塊主要通過通訊模塊與主控芯片通訊，協同完成數據的采集、處理、上傳、運算、反饋計收稿日期：2021­4­28算等功能，實現完整的數據處理流程。（3）軟件設計軟件設計主要包括界面層、邏輯層、驅動層三個部分，其中界面層主要是為用戶提供人機交互界面，響應用戶操作，邏輯層主要為中間業務層，對界面層操作進行響應并做出相應動作，對設備層中采集回來的數據進行整理，并利用關鍵算法對其進行分析計算，保存文件的讀寫及輸入輸出。驅動層模塊需直接控件設備。

2.2檢測方式的研究

氧艙壓力調節系統壓力介質質量檢測的另一項研究重點是設計出能針對國內現有氧艙現狀的檢測方式，在保證測量數據的準確性和精確度的基礎上，實現在氧艙使用現場實時進行操作測量，用戶只需將氧艙壓力介質接至氧艙上，按照流程指南分步進行相應指標檢測，其主要研究內容主要包括采樣點的設置、采樣氣體的處理這兩個方面。

3研究內容

3.1檢測方法

TSG24-2015《氧艙安全技術監察規程中》中規定壓力調節系統的壓力介質質量應當滿足表1的規定。為滿足表1中檢測項目的要求，檢測方法采取的研究技術路線如下：（1）碳氫化合物含量的檢測方法氧艙壓力介質的來源為配置的空壓機，其碳氫化合物的來源主要是空壓機制出的壓縮氣體中所含的油。空壓機制出的壓縮氣體經過過濾后進入氧艙配套儲氣罐，壓縮氣體在儲氣罐內儲存的同時也完成了穩壓降溫，壓力介質中所含油的形態主要為懸浮油加上油蒸氣，因此碳氫化合物的檢測是針對懸浮油+油蒸氣的總量檢測。GB/T13277.2-2015《壓縮空氣第2部分：懸浮油含量測量方法》規定了對壓縮空氣中懸浮油的檢測方法。該標準中首選檢測方法A通過取樣過濾器測定單位時間內收集到的油液量，從而確定壓縮空氣中的含油量，適用于全流量且油污染等級嚴重，通常有管壁流出現情況下的壓縮空氣，不適用于穩定流動狀態且系統壓力不能保持穩定的壓縮空氣的測量，而通常氧艙壓力介質的油污染程度較低，且氧艙儲氣罐內壓力會隨著氣體使用而降低。方法B通過將采用膜片或膜片夾持座內收集到的油溶解在選好的優級純溶劑中，用紅外光譜測定法測定，雖能對油污染程度較低的壓縮空氣進行檢測，但無法實現現場便捷使用。經綜合對比分析，可采用與GB/T13277.2中附錄C《非首選含油量測量方法》中的C.5“檢油管法”相近的“檢油盒法”。該方法原理是壓縮空氣通過20個小孔導入油檢測盒垂直至刻花玻璃傳感平臺，進入檢測盒后空氣90度改變方向在玻璃界面上根據高度慣性分離空氣中的有霧物質，玻璃中的凹進處填滿了油導致玻璃摩擦的光線分散被補償。該方法屬于一種半定量的測量方法，測量結果分成四個等級：0mg/m3、0.1mg/m3、0.5mg/m3及1.0mg/m3。GB/T13277.5-2019《壓縮空氣第5部分：油蒸氣及有機溶劑測量方法》規定了檢測壓縮空氣中油蒸氣含量的氣相光譜法和化學指示管法，其中化學指示管法只用于定性檢查是否存在油蒸氣，確認存在后還需采用氣相光譜法。氣相光譜法需采用不銹鋼采樣管采集并用二硫化碳萃取，用氣相色譜-質樸聯合技術在全掃描模式下分析萃取樣品，同樣存在檢測要求高，無法實現現場便捷使用的問題。經綜合對比分析，可采用GB/T13277.2中附錄C“非首選含油量測量方法”中的C.6“光化電離探測器法”。光離子檢測傳感器使用一只10.6eV光子能量的紫外燈作為光源，使被測氣體中的碳氫化合物電離，原來穩定的分子結構被電離后產生帶正電的離子與帶負電的電子，在正負電場的作用下形成微弱電流，通過檢測產生的電流大小進而判斷碳氫化合物在氣體中的含量。綜上所述，采取“檢油盒+PID聯合檢測法”作為檢測氧艙壓力介質碳氫化合物含量的檢測方法。（2）水含量的檢測方法氧艙壓力介質中的水主要以水蒸氣狀態存在，因此水含量的檢測是針對濕度的測量。GB/T13277.3-2015《壓縮空氣第3部分：濕度測量方法》規定了對壓縮空氣濕度的測量方法，各種濕度測量方法的適用范圍見表2.被測氧艙壓力介質的壓力一般在0~1.6MPa范圍內，溫度一般為常溫，且可能同時含有油及固體顆粒等污染物。為滿足便攜式要求，實現現場在線檢測，經綜合對比分析，可采用電子法進行濕度測量。該方法選取露點阻抗式變送器，通過該變送器測量輸出的露點溫度值，按照GB/T11605-2016《濕度測量方法》附錄C“濕度換算”中的表C.2“露點溫度與其他主要濕度單位換算表”進行“露點溫度（單位：℃）”與“絕對濕度（單位：mg/N.m3）”的換算。（3）顆粒物含量的檢測方法按照表1中顆粒物的質量指標要求，本項目顆粒物的質量等級是按照GB/T13277.1-2008《壓縮空氣第1部分：污染物凈化等級》中固體顆粒等級2級，具體內容見表3。通過表3可以看出需要對氧艙壓力介質中固體顆粒物的濃度進行檢測。GB/T13277.4-2015《壓縮空氣第4部分：固體顆粒測量方法》規定了對壓縮空氣中固體顆粒的計數測量方法，各種測量方法的選擇見表4。因表3中規定的顆粒濃度為0~105/m3，顆粒直徑在0.1~5.0m范圍內，經綜合對比分析，采用激光粒子計數器法進行顆粒計數測量。該方法選取的激光顆粒物傳感器可輸出單位體積內各濃度顆粒物的個數（個/0.1L），再進行標態下的換算。

3.2檢測方式

《質檢總局特種設備局關于〈氧艙安全技術監察規程〉（TSG24-2015）的實施意見》（質檢特函〔2016〕24號）中規定壓力介質質量的測定在氣體供應源出口處和氣體終端組件處進行。因此，檢測方式的研究技術路線如下：（1）氣體供應源出口處檢測方式根據國內現有氧艙的實際管路布置情況，該采樣點設置在氧艙儲氣罐之后，以對應《實施意見》中規定的氣體供應源出口處。因國內在用絕大多數氧艙未在此處設有采樣接口，而少數設有采樣接口的氧艙的接口形式也各不相同。為統一采樣接口要求，采取以氧艙控制臺上氣源壓力表接口處為采樣點進行采樣，一方面壓力表接口規格統一為M20*1.5的螺紋接頭，另一方面壓力表需定期檢定，本身就方便拆裝。因氧艙氣源壓力表測量的是儲氣罐出口管道內的氣體壓力，壓力值一般在0.4~1.6MPa之間且流量較大，而測量傳感元件各有不同的壓力適用條件，因此需對該采樣點的氣體進行預處理。采樣氣體先要進行減壓及流量調節處理，預處理后的指標見表5。氣體預處理后通過相應接口分別進入相應檢測氣室，檢測氣室內設有壓力傳感器及溫度傳感器，用于測量檢測過程中氣室內的壓力值及溫度值，以對PID等檢測傳感元件的測量結果進行修正并進行標態下的換算，輸出符合表1中各項質量指標單位的測量結果。其原理見圖1。（2）氣體終端組件處檢測方式氧艙壓力調節系統最末端部件為設在艙內的進氣消聲器。氧艙儲氣罐內的氣體經過控制臺上進氣閥門的開關調節，經過管路進入氧艙內并最終通過進氣消聲器擴散入艙內，因此以進氣消聲器對應《實施意見》中規定的氣體終端組件處。氧艙壓力介質經過進氣消聲器后排入艙內，在消聲器外部周邊與艙內原有氣體混合為常壓氣體，為了保證氣體能順利進入檢測氣室，需額外通過泵將該處氣源增壓后再進行檢測。對于油盒，選取額定流量為15L/min的真空泵。對于其他檢測元件，選取一臺2.83L/min的真空泵。氣體經增壓限流（按表5）后，通過相應接口分別進入相應檢測氣室進行各項指標的檢測，其原理見圖2。但該檢測方式存在以下問題：艙內進氣消聲器的作用是降低進艙氣流噪聲，其內部一般是帶吸聲材料的微孔結構，可將進氣氣流打散后排放至艙內，并與艙內原有氣體進行混合。對艙內進氣消聲器的出氣進行測量是出在一種開放環境下，艙內原有氣體不可避免會混入采樣氣體，直接影響壓力介質測量的真實性，存在著《實施意見》中的“在氣體終端組件處進行測量”的規定無法有效執行的問題。若在與艙內進氣消聲器相連接的進艙氣體管路上采取與“氣體供應源出口處”相同的檢測方式，雖然可以排除艙內原有氣體的影響，實現對管道內的壓力介質的有效測量，但卻將進氣消聲器屏蔽在外，也與《實施意見》的要求有一定的矛盾。

4結語

以往因相關標準規范要求的缺失及技術手段的不足，氧艙的制造單位、使用單位包括檢驗檢測機構無法對氧艙壓力調節系統壓力介質質量進行精確的測控。本文從與現行標準規范的合規性角度出發，在壓力介質質量檢測方法和檢測方式等方面提供了一種研究思路，實現多參數、便攜式的氧艙壓力介質質量在線檢測多項指標檢測，即可以使用戶及檢驗機構的檢測工作更加方便快捷，也能進一步保障氧艙安全有效運行。筆者水平有限，文中難免有錯漏之處。相信隨著我國檢測技術水平與檢測設備的不斷提升，檢驗檢測機構對《氧艙規程》理解的深入及貫標執行程度的不斷強化，氧艙能更好地服務于廣大人民群眾。

參考文獻

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[8]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局特種設備局.質檢總局特種設備局關于《氧艙安全技術監察規程》（TSG24­2015）的實施意見[Z].質檢特函〔2016〕24號，2016:6.

作者：袁邱浚 宋南